寒地稻作水氮生產函數及其評價研究

梁乾平，王孟雪，金子茗

(1.東北農業大學 水利與建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150030;2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030)

寒地稻作水氮生產函數及其評價研究

梁乾平1,2，王孟雪1,2，金子茗1,2

(1.東北農業大學 水利與建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150030;2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030)

采用全面小區試驗，以龍慶稻3號為試驗材料，設四種灌溉水平(控制灌溉、蓄水控灌、淺水灌溉、淹灌)和四種施氮水平(135 kg/hm2、105 kg/hm2、75 kg/hm2、0 kg/hm2)，建立了不同水氮耦合模式的水氮生產函數。利用模糊綜合評價方法對產量進行評價。水氮因素對產量構成因素影響大小依次為千粒重>結實率>穗粒數>有效穗數；在分蘗期、抽開期、乳熟期充足的水氮有助于提高產量，在拔孕期水氮充足會使水稻產量降低。結果表明：蓄水控灌施氮量為105 kg/hm2是最佳的水氮耦合方式。

稻作；水氮耦合；水氮生產函數

中國是水資源嚴重缺乏且分布不均的國家[1]，同時也是氮肥消耗第一大國[2]。水稻是我國耗水量最多的作物[3]。傳統稻作生產的水肥管理模式，不僅造成了水資源的嚴重浪費，而且引起了一系列的環境問題[4]。水分和氮肥是影響其生長發育的主要限制因子，氮肥對水稻產量的影響不亞于水，因此氮肥的施用量逐年增加。氮肥的增產作用不僅在于氮肥本身，更重要的在于與土壤水分的互作，只有水分和養分的合理投入，才能產生明顯的協同效果，達到以肥調水和以水促肥的雙重目的[5]。近年來關于水稻水氮高效利用的研究表明：氮素與水分的相互作用同時對植物的生長發育產生影響。水分不足影響作物根系對肥料的吸收利用，養分不足則限制作物對水分的充分利用，二者互為制約，又互相促進[6]。以往多數研究成果評價指標籠統單一，無法對各處理進行客觀全面的評價[7]，提出的水氮生產函數模型多數針對全生育期的靜態模型，沒有深入到各生育階段，因而無法指導各階段的水氮施用[8-9]。本文采取模糊綜合評價模型對影響產量的多個指標進行評價，并依據各指標所占權重判斷各指標對產量影響的大小。采用基于Jensen模型的水氮生產函數模型求解各生育階段的水氮交互作用系數[10]，從而為水稻各生育階段的水分管理及施氮管理提供理論依據，進而改變當前 “大水大肥”的水肥管理模式，有利于發展優質、高效、生態農業。這對解決我國的水資源危機，保障國家糧食安全具有重大意義[11]。

1 材料和方法

試驗于2014年5月初至9月末在黑龍江省水稻灌溉試驗中心(慶安站)進行。試驗區與安邦河提水渠首工程相鄰，地理坐標為東經125°44′，北緯45°63′。試驗區屬于寒溫帶大陸季風氣候，多年平均降雨量577 mm，平均氣溫1.69 ℃，平均無霜期128 d，平均日照時數2600 h，平均蒸發量770 mm。

試驗區土壤類型為黑土，全氮0.188%，全磷0.083%，全鉀1.89%，有機質4.96%。試驗站大田0～20 cm土壤體積飽和含水率為54.72%，供試品種為龍慶稻3號，移栽密度26萬穴/hm2，每穴3株。

試驗采取兩因素四水平全面試驗的方式在小區里進行，小區規格為10 m×10 m，小區間采用PVC板防滲、其余各面采用水泥修埂及排水管道并鋪設無紡布進行防滲，試驗中兩因素分別為灌溉模式(見表1)和氮肥施用量。

表1 不同灌溉模式水分管理表

注：表中灌水下限百分數為占土壤體積飽和含水率(θs)的百分數，灌水上限為水層厚度/mm，上下限中0表示田面無水層。

施肥設定的標準為純氮肥135 kg/hm2(高氮)、105 kg/hm2(常氮)、75 kg/hm2(低氮)、0 kg/hm2(零氮)，分4次施入。施肥比例為基肥∶孽肥∶調節肥∶穗肥=5∶2.5∶1∶1.5。P肥作為基肥一次性施入(施P2O5為45 kg/hm2)，K肥分兩次施入(施K2O為80 kg/hm2)，施入比例為基肥∶穗肥=1∶1。試驗16個小區(見表2)采取3次重復，共計48個小區。試驗小區采用隨機排列的方式進行。

表2 試驗處理表

灌排水量用水表、水尺測量，耗水量用水尺和土壤水分測定儀測量。從試驗站自動氣象站收集降雨時間、歷時和降雨量資料。各小區采用五點法取樣測產。測定結實率、千粒質量等指標。

2 結果與分析

2.1 基于Jensen模型的水氮生產函數

水氮生產函數描述的是作物產量和灌溉水量及施氮量之間的數學關系。由于水分生產函數和氮素生產函數具有相同的變化趨勢，都可以用一元二次曲線來擬合。因此認為可將分階段的水分生產函數(Jensen)模型與分階段氮素生產函數相結合，構造基于Jensen模型的水氮生產函數模型。

模型表達式：

(1)

式中：ki代表水氮交互作用系數；i為作物生育期階段編號；Ym代表水氮充足條件下的產量(即作物光溫產量)；ETm i代表充分灌溉下的耗水量；Yα代表實際水氮條件下的產量；ETα i代表各處理的實際耗水量；n為劃分的作物生育期階段數，本次試驗中為4；NCα i和NCm i分別代表實際吸氮量和潛在吸氮量。

選取分蘗期、拔孕期、抽開期和乳熟期作為建立模型的生育階段，不同水氮處理各生育階段耗水量、吸氮量以及最終水稻產量相對于水氮供給充足時的相對值如表3所示。

代入式(1)，求得各生育階段的水氮交互作用系數如表4所示。

通過表4可知在所選擇的4個生育階段中，分蘗期、抽開期和乳熟期ki為正，水稻耗水量和吸氮量的交互作用對水稻產量的影響表現為協同作用；拔孕期ki為負，水稻耗水量和吸氮量的交互作用對水稻產量的影響表現為拮抗作用。分蘗期是水稻營養生長的旺盛時期，充足的水氮供給可以使水稻分蘗數快速增加，從而影響有效穗數和最終產量；抽開期正是水稻授粉期，缺少水氮會使水稻的結實率大大降低，從而影響最終的水稻產量；乳熟期是水稻將光合產物向籽粒中轉移的時期，水和氮素是水稻進行光合作用必不可少的物質，缺少水氮會使水稻植株光合作用減弱，進而影響水稻的千粒重使得水稻產量降低。拔孕期是營養生長向生殖生長過渡的階段，如果水氮供應充足會使水稻繼續進行分蘗，造成后期養分供應不足，導致結實率下降產量降低。

表3 不同水氮處理相對值

表4 生育階段水氮交互作用系數表

2.2 模糊綜合評價方法對不同水氮處理的評價

2.2.1 模糊綜合評價模型的建立

步驟1：確定評價指標集合U={U1,U2,…,Un}其中，U1,U2,…,Un為評價指標。

步驟2：數據無量綱化處理

對于越大越優的指標：

(2)

對于越小越優的指標：

(3)

式中：xmax(j)為第j個指標中的最大值；xmin(j)為第j個指標中的最小值。x*(i,j)為第i個樣本中第j個指標值；x(i,j)為指標特征值歸一化序列。

步驟3：建立單因素評價矩陣，即

(4)

(5)

式中：i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;r(i,j)為單因素評價值。

步驟4：計算權重

(1)單項指標權重

(6)

式中：gi為某指標實測值；si為某處理加權平均值；wi為單項指標權重值。

(7)

(2)單個指標在總體中的權重值

(8)

式中：A為單個指標在總體中的權重值。

步驟5：綜合評價

對于權重A=(a1,a2,…,an)，取max-min合成運算，即計算B=A°R，方法如下：

(9)

步驟6：按評判值B的大小進行排序，即確定各處理的優劣順序。

2.2.2 模糊綜合評價模型應用

水肥耦合方案優選過程中，通常存在評價指標籠統和單一；而水肥耦合方案優劣的影響因素往往很多，難以對方案的優劣進行全面評價。本文采用模糊綜合評價模型，取影響水稻產量的主要因素(千粒重、有效穗數、穗粒數、結實率)作為評價指標對各水氮處理方案進行優劣評價。基本資料如表5所示。

表5 不同水氮處理資料表

所選取的四個指標均為越大越優型，采用式(2)進行無量綱化處理。通過計算得出評價矩陣R。

根據式(6)～(8)計算出各項指標權重為：

根據評價矩陣R和各項指標權重A通過MATLAB軟件計算可以得出評判值B，并按照評判值B的大小順序對各水氮處理進行優劣排序為：處理6>處理2>處理1>處理5>處理9>處理13>處理10>處理7>處理14>處理3>處理11>處理4>處理8>處理12>處理15>處理16。按照實際產量進行優劣排序為：處理6>處理2>處理1>處理5>處理9>處理13>處理10>處理7>處理14>處理3>處理11>處理12>處理8>處理4>處理15>處理16，兩者排序基本相同如表6所示。

通過各指標權重A可以看出千粒重對產量的影響大于結實率對產量的影響大于穗粒數對產量的影響大于有效穗數對產量的影響，因此提高水稻產量可優先提高千粒重。處理6即施氮量為105 kg/hm2蓄水控灌模式為最優組合，與處理14(C4N2)相比較，產量提高了39.5%，水分生產效率提高78.1%。

表6 不同水氮處理的評價值

3 結 論

(1)以往研究通常把水和氮的效應分開進行分析，而實際水和氮不是彼此獨立的，是彼此相互作用共同對水稻的生長產生影響，由于水和氮的生產函數變化趨勢相似，因此把氮素因子加入到水分生產函數Jensen模型中，得出基于Jensen模型的水氮生產函數模型。通過求解各生育階段水氮交互作用系數可知：分蘗期水氮的交互作用系數為正值，表現為協同作用，因此在分蘗期供給充分的水和氮肥，從而得到較多的分蘗數；在拔孕期水氮的交互作用系數為負值，表現為拮抗作用，因此不能一味采用大水大肥，造成營養生長過于旺盛，遲遲不向生殖生長轉化，造成水稻減產；抽開期和乳熟期水氮交互作用系數為正值，表現為協同作用，應盡量提供充足水氮來提高結實率和千粒重，從而提高產量。

(2)根據模糊綜合評判值B的大小對處理進行優劣排序，確定處理6(C2N2)是最優水氮耦合方案(蓄水控灌施氮量為105 kg/hm2，基肥∶調節肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶1∶2.5∶1.5)為最佳組合。與處理14(C4N2)相比產量提高了39.5%，水分生產效率顯著提高。按照評判值B進行的優劣排序與按照實際產量進行的優劣排序基本相符，通過對各指標權重A值的計算，在影響產量的因素中千粒重對產量的影響最大，因此提高千粒重是提高產量的有效途徑。

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Evaluation study on water and nitrogen production function of rice in cold black soil region

LIANG Qianping1,2, WANG Mengxue1,2, JIN Ziming1,2

(1.WaterConservancyandArchitectureCollege,NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China；2.KeyLaboratoryofhighefficiencyutilizationofAgriculturalWaterResourcesMinistryofAgriculture，Harbin150030，China)

t：Field plot experiment was conducted, which set four irrigation levels (control irrigation, intermittent irrigation, shallow wet irrigation and basin irrigation) and four nitrogen levels (135 kg/hm2, 105 kg/hm2, 75 kg/hm2and 0 kg/hm2). Longqing No. 3 was selected as test material. Water and nitrogen production function was established under different water and nitrogen coupling models. Fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the yield of rice. The effect of water and nitrogen on yield followed the sequence as 1000-grain weight, ripening rate, grain number per panicle and effective panicles. Sufficient water and nitrogen result in increase yield at tillering stage, tasseling stage and milk ripe stage, but contribute to a reduction of rice yield at jointing-booting stage. The results showed that the control irrigation with nitrogen amount of 105 kg/hm2is optimal water and nitrogen coupling model.

rice; water and nitrogen coupling; production function of water and nitrogen

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD08B05)

梁乾平(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為節水灌溉理論與新技術。E-mail：420944239@qq.com

S274.3

A

2096-0506(2015)01-0029-05